第2章操作系统的基本原理

大学计算机基础教程(高守平第二版)第2章操作系统基础大学计算机基础教程(高守平第二版)第2章操作系统基础第一节操作系统的定义和作用操作系统是一种系统软件，它管理和控制计算机硬件资源，并提供给用户一个简单易用的界面，使得用户可以方便地使用计算机。

1.1 操作系统的定义操作系统是指在计算机和用户之间起到桥梁作用的软件。

它利用计算机的硬件资源，提供给用户一个友好的环境，使得用户可以与计算机交互，并能够运行各种应用程序。

1.2 操作系统的作用操作系统有以下几个主要作用：（1）管理和分配计算机系统的硬件资源，包括处理器、存储器、输入输出设备等；（2）提供用户与计算机之间的接口，让用户能够方便地使用计算机；（3）管理和调度进程，保证多个进程之间的并发执行；（4）提供各种系统服务和功能，如文件管理、网络通信等。

第二节操作系统的基本概念2.1 进程和线程进程是指正在运行的程序的实例。

每个进程有自己的地址空间、文件描述符等资源。

一个进程可以包含多个线程，线程是在进程中独立运行的执行单元。

2.2 内存管理操作系统负责管理计算机的内存资源，包括内存的分配和释放、虚拟内存的管理等。

通过虚拟内存技术，操作系统可以将进程使用的内存分为多个虚拟地址空间，从而提高内存的利用率。

2.3 文件系统文件系统负责管理计算机中的文件和目录。

它提供了对文件的读写操作，并管理文件的存储和组织。

文件系统还提供了目录结构，方便用户组织和查找文件。

2.4 设备管理设备管理是操作系统对计算机硬件设备进行管理的一项重要任务。

它负责对设备的分配和回收，以及设备的驱动程序的管理。

通过设备管理，操作系统可以提供对各种设备的统一访问接口，使得应用程序可以方便地使用设备。

第三节常见的操作系统3.1 Windows操作系统Windows操作系统是由微软公司开发的一种广泛使用的操作系统，具有图形化界面和丰富的应用软件。

Windows操作系统拥有庞大的用户群体，在个人计算机和企业中使用广泛。

系统架构设计师教程（第3版）第 1 章操作系统本章主要介绍操作系统的基本概念及其形成、发展历史和主要类型，并指出操作系统的5大管理功能。

掌握操作系统原理的关键在于深入理解"一个观点、两条线索".一个观点是以资源管理的观点来定义操作系统；两条线索是操作系统如何管理计算机各类资源和控制程序的执行。

操作系统如何实现对这些资源的管理，其内涵、设计和实现是本章的主要内容。

1.1 操作系统的类型与结构计算机系统由硬件和软件两部分组成。

操作系统是计算机系统中最基本的系统软件，它既管理计算机系统的软、硬件资源，又控制程序的执行。

操作系统随着计算机研究和应用的发展进步形成并日趋成熟，它为用户使用计算机提供了一个良好的环境，从而使用户能充分利用计算机资源，提高系统的效率。

操作系统的基本类型有：批处理操作系统、分时操作系统和实时操作系统。

从资源管理的观点看，操作系统主要是对处理器、存储器、文件、设备和作业进行管理。

1.1.1 操作系统的定义系统中的硬件和软件资源，合理地组织计算机工作流程和有效地利用资源，在计算机与用户之间起接口的作用。

操作系统与硬件/软件的关系如图1-1所示。

图1-1 操作系统与硬件/软件的关系1.1.2 操作系统分类按照操作系统的功能划分，操作系统的基本类型有批处理操作系统、分时操作系统、实时操作系统、网络操作系统、分布式操作系统、嵌入式操作系统等。

1.批处理操作系统在批处理操作系统（Batch Processing Operating System,BPOS）中，系统操作员将作业成批地输入计算机，由操作系统选择作业调入内存加以处理，最后由操作员将运行结果交给用户。

批处理操作系统有两个特点：一是"多道",指系统内可同时容纳多个作业；二是"成批",指系统能成批自动运行多个作业，在运行过程中不允许用户与其作业发生交互作用。

所以，合理地调度和管理系统资源是操作系统的主要任务。

第2章进程管理“练习与思考”解答1．基本概念和术语进程、进程互斥、进程同步、临界资源、临界区、死锁进程是程序在并发环境中的执行过程。

进程互斥：各个进程彼此不知道对方的存在，逻辑上没有关系，由于竞争同一资源（如打印机、文件等）而发生相互制约。

进程同步：各个进程不知对方的名字，但通过对某些对象（如I/O缓冲区）的共同存取来协同完成一项任务。

临界资源：一次仅允许一个进程使用的资源。

临界区：在每个进程中访问临界资源的那段程序。

死锁是指在一个进程集合中的每个进程都在等待仅由该集合中的另一个进程才能引发的事件而无限期地僵持下去的局面。

2．基本原理和技术（1）在操作系统中为什么要引入进程概念？它与程序的区别和联系是什么？在操作系统中，由于多道程序并发执行时共享系统资源，共同决定这些资源的状态，因此系统中各程序在执行过程中就出现了相互制约的新关系，程序的执行出现“走走停停”的新状态。

这些都是在程序的动态过程中发生的。

用程序这个静态概念已不能如实反映程序并发执行过程中的这些特征。

为此，人们引入“进程”这一概念来描述程序动态执行过程的性质。

进程与程序的主要区别是：·进程是动态的；程序是静态的。

·进程有独立性，能并发执行；程序不能并发执行。

·二者无一一对应关系。

·进程异步运行，会相互制约；程序不具备此特征。

但进程与程序又有密切的联系：进程不能脱离具体程序而虚设，程序规定了相应进程所要完成的动作。

（2）进程的基本状态有哪几种？通常在操作系统中，进程至少要有三种基本状态。

这三种基本状态是：运行态、就绪态和阻塞态（或等待态）。

（3）用如图3-23所示的进程状态转换图能够说明有关处理机管理的大量内容。

试回答：①什么事件引起每次显著的状态变迁？②下述状态变迁因果关系能否发生？为什么？（A）2→1 （B）3→2 （C）4→1图3-23 进程状态转换图①就绪→运行：CPU空闲，就绪态进程被调度程序选中。

计算机操作系统第0章计算机系统概述计算机系统由操作员、软件系统和硬件系统组成。

软件系统：有系统软件、支撑软件和应用软件三类。

系统软件是计算机系统中最靠近硬件层次不可缺少的软件；支撑软件是支撑其他软件的开发和维护的软件；应用软件是特定应用领域的专用软件。

硬件系统：借助电、磁光、机械等原理构成的各种物理部件的组合，是系统赖以工作的实体。

如今计算机硬件的组织结构仍然采用冯诺依曼基本原理（有控制器、运算器、存储器、输入设备和输出设备—通常把控制器和运算器做一起称为中央处理机cpu，把输入输出设备统称为I/O设备）。

关于计算机系统的详细：Cpu的四大组件构成：ALU、CU、寄存器和中断系统。

存储器：理想存储器是大容量、高速度和低价位。

在计算机系统中存储器的分层结构：寄存器、高速缓存（cache）（用于解决cpu和内存读写速度过于不匹配）、主存（RAM和ROM）、磁盘和磁带。

I/O系统：由I/O软件和I/O硬件组成，前者用于将数据输入主机和将数据计算的结果输出到用户，实现I/O系统与主机工作的协调。

I/O硬件包括接口模块和I/O设备。

关于系统中断：利用中断功能，处理器可以在I/O操作执行过程中执行其他指令。

第1章操作系统引论操作系统的定义：控制和管理计算机软、硬件资源，合理组织计算机的工作流程，以便用户使用的程序集合。

计算机的四代发展：(1)没有操作系统的计算机（没有晶体管，使用机器语言写成的）(2)有监控系统的计算机（出现晶体管，使用汇编语言和高级语言，出现了单道批处理系统）(3)带操作系统的计算机（出现了小规模的集成电路，出现了多道程序设计技术—相当于系统中断，由于多道程序不能很好的满足用户对响应时间的要求，出现了分时系统。

多批道处理系统和分时系统的出现标志着操作系统的形成。

）(4)多元化操作系统的计算机（出现了大规模集成电路，分布式操作系统）操作系统的特征并发性：两个或两个以上的事物在同一个时间间隔内发生。

习题二参考答案（P33）2-1什么是操作系统虚拟机？答：操作系统是最基本的系统软件，它是硬件功能的第一层扩充。

配置了操作系统的计算机称为操作系统虚拟机。

扩充了的计算机除了可以使用原来裸机提供的各种基本硬件指令，还可以使用操作系统增加的许多其它指令。

2-2在设计操作系统时，可以考虑的结构组织有哪几种？答：在设计操作系统时，可以考虑的结构组织有单体系统、层次式系统、微内核、客户机-服务器模式。

2-3什么是处理机的态？为什么要区分处理机的态？答：所谓处理机的态是指处理机当前处于何种状态，正在执行哪类程序。

操作系统是计算机系统中最重要的系统软件，为了能正确地进行管理和控制，其本身是不能被破坏的。

为此，系统应能建立一个保护环境，因此系统必须区分处理机的工作状态。

系统中有两类程序在运行，它们的任务是不同的，系统程序是管理和控制者，用户程序是被管理和被控制的对象，因此应将它们运行时处理机的工作状态区分出来，即系统必须区分二态（核态或管态、用户态）。

2-4什么是管态？什么是用户态？二者有何区别？答：处理器在执行系统程序时所处的状态称为管态；处理器在执行用户程序时所处的状态称为用户态。

处理器在管态和用户态下具有不同的权限：在管态下允许CPU使用全部资源和全部指令，其中包括一组特权指令；在用户态下禁止使用特权指令，不能直接使用系统资源与改变CPU状态，并且只能访问用户程序所在的存储空间。

2-5什么是中断？在计算机系统中为什么要引进中断？答：中断是指某个事件（例如，电源掉电、俘点运算溢出、外部设备传输完成或出错等）发生时，系统中止现运行程序的执行，引出处理事件程序对相应事件进行处理，处理完毕后返回断点继续执行。

为了实现多道程序设计技术、提高资源利用率，在计算机系统中引进中断。

2-6按中断的功能来分，中断有哪几种类型？答：按中断的功能来分，中断有如下五种类型：I/O中断外中断硬件故障中断程序性中断访管中断2-7什么是强迫性中断？什么是自愿中断？试举例说明。

《操作系统》课程教学大纲一、课程基本信息课程名称：《操作系统》总学时与学分：72学时 4学分课程性质：专业必修课授课对象：计算机科学与技术专业二、课程教学目标与任务操作系统原理是一门专业基础课程，是涉及考研等进一步进修的重要课程，是计算机体系中必不可少的组成部分。

本课程的目的和任务是使学生通过本课程的学习，理解操作系统的基本概念和主要功能，掌握操作系统的使用和一般的管理方法，从而为学生以后的学习和工作打下基础。

三、学时安排课程内容与学时分配表章节内容学时第一章操作系统引论5第二章进程管理12第三章处理机调度与死锁12第四章存储管理12第五章设备管理10第六章文件管理8第七章操作系统接口4第八章网络操作系统3第九章系统安全性3第十章UNIX操作系统3四、课程教学内容与基本要求第一章操作系统引论教学目标：通过本章的学习，使学生掌握操作系统的概念，操作系统的作用和发展过程，知道操作系统是配置在计算机硬件上的第一层软件，是对计算机系统的首次扩充，是现代计算机系统必须配置的软件。

基本要求：掌握操作系统的目标和作用、发展过程、基本特征及主要功能；了解操作系统的结构设计本章重点：操作系统的概念、作用，操作系统的基本特征以及操作系统的主要功能。

本章难点：操作系统基本特征的理解，操作系统主要功能的体现。

教学方法：讲授与演示相结合1．操作系统的目标和作用：操作系统的目标、作用、推动操作系统发展的主要动力。

2. 操作系统的发展过程：无操作系统的计算机系统、批处理系统、分时系统、实时系统、微机操作系统的发展。

3．操作系统的基本特征：并发性和共享性、虚拟和异步性。

4. 操作系统的主要功能：处理机管理功能、存储器管理功能、设备管理功能、文件管理功能。

5. OS结构设计。

第二章进程管理教学目标：通过本章的学习使学生了解在现代的操作系统中程序并不能独立运行，作为资源分配和独立运行的基本单位都是进程。

操作系统所具有的四大特征也都是基于进程而形成的，并可以从进程的观点来研究操作系统。

《操作系统》课程教学大纲一、课程基本情况课程代码：10411290课程名称（中/英文）：操作系统/Operating System课程类别：专业基础课学分：3.5总学时：56理论学时：48实验/实践学时：8适用专业：数据科学与大数据技术适用对象：本科先修课程：计算机组成与系统结构、java程序设计、数据结构教学环境：多媒体开课学院：计算机与信息工程学院二、课程简介《操作系统》是高校软件工程专业的一门专业核心课，是后续专业课程的理论基础，本课程讲述操作系统的基本原理，主要偏重于操作系统功能与结构的理论分析，对其中的重要算法辅以实验,以加深对理论知识的理解和掌握。

主要内容包括操作系统概论；进程的概念、进程的描述与控制、进程的同步与互斥以及进程管理的常用算法；处理机调度的策略和处理死锁的方法；存储器管理的方案和分配算法以及存储保护和共享；文件系统的运行机制及关键的数据结构；设备与系统的结合方式，设备驱动程序的结构及加载机制。

通过该课程的学习要求学生理解和掌握操作系统的原理和实现方法，培养分析、比较操作系统实现方法优劣的基本能力，加深对操作系统的理解，提高深入编程和借鉴操作系统的设计思想和算法的能力。

本课程主要讲述操作系统的原理，使学生不仅能够从操作系统内部了解操作系统的工作原理，而且可以学到软件设计的思想方法和技术方法。

主要内容包括：操作系统的概论；操作系统的作业管理；操作系统的文件管理原理；操作系统的进程概念、进程调度和控制、进程同步和互斥等；操作系统的各种存储管理方式以及存储保护和共享；操作系统的设备管理原理。

三、课程教学目标2.课程教学目标及其与毕业要求指标点、主要教学内容的对应关系四、教学内容第一章操作系统引论1.主要内容：阐述操作系统的目标和作用；操作系统的发展过程；操作系统基本特性；操作系统主要功能；操作系统的结构设计。

2.基本要求：掌握操作系统的定义；理解操作系统目标、作用和功能；。

3.重点：操作系统的定义与功能。

计算机专升本中的操作系统原理计算机专升本中的操作系统原理是计算机专业学生在学习和掌握计算机操作系统时所必备的基础知识。

操作系统是计算机系统的重要组成部分，它负责管理和控制计算机硬件资源，提供良好的用户界面和运行环境。

本文将从操作系统的定义、功能、分类以及主要原理等方面进行详细介绍。

一、操作系统的定义操作系统是一种系统软件，是计算机系统的核心，负责管理和控制计算机硬件资源，并提供用户与计算机之间的接口。

操作系统是计算机与应用程序之间的代理，它承担着各种任务，如分配和管理内存、管理文件和输入输出设备、调度进程和线程等。

二、操作系统的功能1. 资源管理：操作系统负责管理计算机的硬件资源，包括处理器、内存、硬盘、输入输出设备等。

通过资源管理，操作系统可以高效地利用资源，提高计算机的性能和运行效率。

2. 进程调度：操作系统根据一定的调度算法，合理地分配和调度进程的运行，确保各个进程能够按照一定的顺序执行，提高系统的整体效率和响应速度。

3. 内存管理：操作系统负责对计算机内存的分配、回收和管理。

通过内存管理，操作系统可以有效地利用有限的内存资源，提供给应用程序足够的内存空间。

4. 文件管理：操作系统负责对计算机文件的组织、存储和管理。

通过文件管理，操作系统可以提供方便的文件操作接口，使得用户能够方便地进行文件的读写和管理。

5. 设备管理：操作系统负责对计算机输入输出设备的管理和控制。

通过设备管理，操作系统可以为用户提供方便、高效的输入输出操作接口，使得用户能够方便地与设备进行交互。

三、操作系统的分类操作系统可以根据其功能和特点进行分类，常见的操作系统分类包括：1. 批处理操作系统：批处理操作系统是最早的操作系统，主要用于处理大量的批处理作业。

它通过将一批作业按顺序放入内存，自动依次执行，并输出结果。

2. 分时操作系统：分时操作系统是为了满足多用户同时共享计算机资源的需求而设计的。

它允许多个用户通过终端同时登录系统，并以交互的方式使用计算机资源。

大学二年级计算机科学操作系统原理操作系统是计算机科学领域的重要基础理论之一，它是计算机硬件和软件之间进行协调和管理的核心软件。

操作系统原理作为计算机科学专业的一门重要课程，旨在让学生深入了解计算机操作系统的基本原理、设计思想和实现方法。

本文将以大学二年级计算机科学操作系统原理为题，从操作系统的定义、功能、架构、进程管理、内存管理、文件系统等方面进行论述。

一、操作系统的定义与功能操作系统是计算机软硬件之间的桥梁，它能够有效地管理计算机硬件资源，并为用户和应用程序提供良好的使用界面。

操作系统具有以下主要功能：1. 资源管理：操作系统负责管理计算机硬件资源，包括处理器、内存、输入输出设备等，以实现资源的共享和合理利用。

2. 进程管理：操作系统管理计算机的进程，包括进程的创建、调度、同步和通信等，确保进程能够按照一定规则有序地执行。

3. 内存管理：操作系统管理计算机的内存，包括内存的分配、回收和虚拟内存的管理，以提高内存的利用率和系统性能。

4. 文件系统：操作系统管理计算机的文件系统，包括文件的组织、存储和访问等，使用户能够方便地管理和使用文件。

5. 设备管理：操作系统管理计算机的输入输出设备，包括设备的分配、调度和驱动程序的管理，以实现设备的高效利用。

6. 用户界面：操作系统为用户提供友好的使用界面，包括命令行界面和图形用户界面等，以方便用户操作计算机。

二、操作系统的架构与组成操作系统的架构是指其内部的模块结构和模块之间的关系。

常见的操作系统架构有单内核、微内核和外核等。

1. 单内核架构：单内核是指整个操作系统运行在一个单一的内核空间中，所有的系统服务都在同一个内核模块内实现。

这种架构设计简单，运行效率高，但不够灵活，一旦发生故障，整个操作系统将无法正常工作。

2. 微内核架构：微内核是指将操作系统的核心功能放在核心内核模块中，而将其他系统服务放在用户态的独立进程中。

这种架构设计灵活，易于扩展和维护，但运行效率相对较低。